CN116412410A - 矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿山瓦斯发电余热利用技术领域，涉及矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法及装置，矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置包括一次换热设备、一次闭式循环水系统、二次换热设备、自来水供水装置、转换增热装置、二次闭式循环水系统、矿山副井口供暖设备和热源调节中转站，矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法包括一级换热、二级换热和转换增热等步骤。通过本发明提供的方法或装置能够对矿山瓦斯发电机组高温烟气中的余热进行高效回收，且回收后的热能采用先给矿山副井口供暖，再给洗浴中心提供洗浴热水的热能回收方式，实现了对烟气余热的高效梯级利用，使回收得到的热能能够全回收、无浪费，实现了对乏能的吃干榨净，节能减排效益显著。
Description
技术领域
本发明属于矿山瓦斯发电余热利用技术领域，具体地说，涉及矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法及装置。
背景技术
煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4(甲烷)，是主要存在于煤矿的伴生气体，煤层气是热值高、无污染的新能源，因此常被用于矿山瓦斯发电机组燃烧需要。矿山瓦斯发电机组工作中，其排放的高温烟气余热含量较高，直接排放会导致热能的大量流失，市面上常规的烟气余热方式主要是通过设置在烟道内的换热器将烟气与水进行热交换，然后使自来水升温后勾兑冷水供给澡堂使用，一方面，由于自来水水质较差，升温后容易在换热器内壁结垢，影响换热器的安全运行周期和换热效率，另一方面，受发电机组的负荷变化和机组运行稳定性的影响，热水的供应量并不稳定，发电机组负荷低或停机检修时，将使热水的供应量受到很大影响，而发电机组满负荷运行时，又会导致热水量较大，矿区浴池利用不完的情况出现，不利于实现余热的高效利用。
为此，亟需研发出能够对矿山瓦斯发电烟气余热进行梯级利用的新方法和新装置，以实现对矿山瓦斯发电烟气余热的更高效、更可靠地利用。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述的技术问题，提出一种更高效、更可靠地能够对矿山瓦斯发电烟气余热进行梯级利用的新方法和新装置。
基于本发明的一个目的，其技术方案为：矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法，包括如下步骤：
S1.一次换热，将矿山瓦斯发电机组排放的280～300℃的高温烟气，引入烟道内的一次换热设备中与来自一次闭式循环水系统中的一次软化水介质进行间接换热，使一次软化水介质升温至80℃以上；
S2.二次换热，将80℃以上的一次软化水介质引入二次换热设备中与来自自来水供水装置的自来水介质进行间接换热，将自来水介质升至60℃以上后作为转换增热的热源；
S3.转换供热，将热源引入热源调节中转站中的两个储热仓中，所述热源调节中转站还包括远程DCS控制系统、供热水泵和两个热分流仓，所述远程DCS控制系统按需控制供热水泵将储热仓中的热源送至转换增热装置中，使热源与转换增热装置中来自二次闭式循环水系统中的二次软化水介质进行间接换热，将二次软化水介质升温15℃后供至矿山副井口进行供暖；热源与二次软化水介质换热后自来水水温降至45～50℃，并回送至两个热分流仓中，所述远程DCS控制系统按需控制两个热分流仓配套的分流泵将45～50℃的自来水供至矿区的洗浴中心。
另外，当热源较为充足时，也可分流一部分直接送入矿区办公区的地暖或暖气片进行供暖，地暖或暖气片中的回水可回送至二次换热设备的自来水供水装置中补充自来水消耗。
优选地，步骤S1和S2中，一次软化水介质升温后的温度为80～85℃，将温度控制在80～85℃，可避免在一次换热设备的管道内产生大量水蒸气，便于提高装置的安全性。更优选地，一次软化水介质升温后的温度为80℃。
优选地，步骤S2和S3中，热源的温度为60～65℃，更优选地，热源的温度为60℃。
基于本发明的另一个目的，其技术方案为：矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，包括一次换热设备、一次闭式循环水系统、二次换热设备、自来水供水装置、转换增热装置、二次闭式循环水系统、矿山副井口供暖设备和热源调节中转站，所述一次换热设备采用不锈钢扰流子换热器，具体地，可采用开山净化KSYQ-360型不锈钢扰流子换热器，所述一次闭式循环水系统包括一次循环水管路、一次循环水箱和一次循环水泵，所述二次换热设备和转换增热装置均采用板式换热器，所述二次闭式循环水系统包括二次循环水管路和二次循环水泵，所述矿山副井口供暖设备包括表面式换热器、二次循环水箱和二次循环水泵，所述热源调节中转站为田字式结构溢流中转站。
优选地，所述田字式结构溢流中转站包括远程DCS控制系统和储水箱，所述储水箱为保温水箱，且储水箱的顶部设有保温盖板，所述储水箱内设有十字形绝热隔板，所述十字形绝热隔板将储水箱分割为四个独立的储水腔，其中储水箱前侧的两个储水腔为热分流仓，储水箱后侧的两个储水腔为储热仓，前后对应的储热仓与热分流仓之间设有若干溢流管，所述溢流管设于十字形绝热隔板的顶端，且溢流管内设有能够使储热仓中的热源向热分流仓单向流通的单向阀，所述储热仓的热水进口与二次换热设备的冷媒出口相连通，且储热仓的热水出口与转换增热装置的热媒进口相连通，所述热分流仓的进水口与转换增热装置的热媒出口相连通。
优选地，所述十字形绝热隔板内部采用真空结构或者在十字形绝热隔板的内部设置空腔，空腔中填充有隔热材料，以保证各储热仓和热分流仓的保温效果。
优选地，每个储热仓的侧壁上均设有热水进口和热水出口，所述热水进口设于热水出口上方，且热水出口设于储热仓的底部，每个热分流仓的侧壁上均设有进水口和出水口，所述进水口设于出水口上方，且出水口设于热分流仓的底部；所述热水进口外侧连接有热水进管，所述热水出口外侧连接有热水出管，所述进水口外侧连接有进水管，所述出水口外侧连接有出水管，每个热水进管上分别设有电动阀一，每个热水出管上分别设有电动阀二，每个进水管上分别设有电动阀三，每个出水管上靠近热分流仓处分别设有电动阀四，两个储热仓的热水出管汇集到一根热水出水母管上，且热水出水母管远离两个热水出管的一端设有供热水泵，两个储热仓的热水进管远离储热仓的一端分别与一根热水进水母管相连通，两个热分流仓的进水管远离热分流仓的一端均连接在一根进水汇流母管上，两个出水管上分别设有分流泵，所述供热水泵、分流泵、电动阀一、电动阀二、电动阀三、电动阀四分别与远程DCS控制系统电连接。
上述方案中，可通过操控各热水进管上的电动阀一，将来自二次换热设备的热源存储到相应的储热仓内，通过远程DCS控制系统操控各热水出管上的电动阀二，可根据需要将各储热仓内的热源通过供热水泵输送到转换增热装置内，热源与转换增热装置内的冷媒(二次软化水介质)热交换后降温到45-50℃并通过进水汇流母管输送到热分流仓内，再通过两个分流泵泵送到矿区各洗浴中心作为洗浴用水使用，转换增热装置内的冷媒被热源换热升温15℃左右后用于矿井副井口供暖。
优选地，两个热分流仓的出水管之间设有连通管，所述连通管上设有电动连通阀，所述电动连通阀与远程DCS控制系统电连接。当其中一个热分流仓内蓄水不足时，可通过操控电动连通阀和相应的电动阀四，即可将另一个热分流仓中的热水补入缺水的热分流仓中或直接泵送到相应的洗浴中心或洗浴装置，以保证各洗浴中心或洗浴装置的连续稳定使用。
优选地，每个热分流仓的侧壁顶部均设有溢流口，所述溢流口外连接有溢流排放管。当热分流仓的水位高于溢流口时，可通过溢流排放管外排，外排的溢流水可作为二次换热设备的冷媒循环使用。
优选地，各储热仓和热分流仓内分别设置有液位传感器和温度传感器，且各储热仓和热分流仓的底部分别设置有电动排污阀，所述液位传感器、温度传感器和电动排污阀分别与远程DCS控制系统电连接，通过液位传感器和温度传感器，用于监控各储热仓和热分流仓内的水位和温度，方便根据需要及时调整补水量和出水量。通过电动排污阀，可实现定期排污或检修时排水。
本发明还包括能够使其正常使用的其它步骤、组件或装置，这些其它步骤、组件或装置均为本领域的常规手段，另外，本发明中未加限定的装置或组件，如板式换热器、表面式换热器、不锈钢扰流子换热器、各电动阀、电动连通阀、电动排污阀、供热水泵、分流泵、保温水箱、保温盖板、液位传感器、温度传感器、远程DCS控制系统等均采用本领域的现有技术，本领域技术人员可根据实际需要选择对应组件或装置的规格和型号。
本发明的工作原理是，采用一次软化水介质作为矿山瓦斯发电机组中高温烟道内的一次换热设备的冷媒，高温烟气与一次软化水介质在一次换热设备内间接换热后，快速将一次软化水介质的温度升至80℃以上后，80℃以上的一次软化水介质被引入二次换热设备中，将二次换热设备中通入的自来水进行换热使自来水升温至60℃以上后，60℃以上的自来水作为热源被送入储热仓中进行存储，降温后的一次软化水介质闭式循环到一次换热设备中与高温烟气再次发生热交换，实现对烟气余热的高效吸收。远程DCS控制系统控制供热水泵将储热仓中的热源送至转换增热装置中，对二次软化水介质进行转换增热，二次软化水介质被升温15℃左右后对矿井副井口进行供暖，热源在转换增热装置中被冷却至45～50℃后送入热分流仓中储存备用，通过分流泵将热分流仓中的热水输送到矿区各洗浴中心与自来水勾兑后用作职工洗浴水，当二次换热设备中换热后的自来水量较大，储热仓内水位超过十字形绝热隔板的顶端的溢流管时，储热仓内的热水会通过相应的单向阀流入对应的热分流仓中，用于提高热分流仓的水温并增加热分流仓中的水量，以利于对热能的充分利用。可以理解的是，热分流仓中水温升高时，洗浴时多勾兑冷水即可，不影响正常使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明提供的方法或装置能够对矿山瓦斯发电机组高温烟气中的余热进行高效回收，且回收后的热能采用先给矿山副井口供暖，再给洗浴中心提供洗浴热水的热能回收方式，实现了对烟气余热的高效梯级利用，使回收得到的热能能够全回收、无浪费，实现了对乏能的吃干榨净，节能减排效益显著。
附图说明
图1为实施例中本发明的工艺原理图。
图2为实施例中田字式结构溢流中转站的整体结构示意图。
图3为图2中去掉保温盖板后的结构示意图。
图4为图3的背侧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例提出的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法，包括如下步骤：
S1.一次换热，将矿山瓦斯发电机组排放的290℃左右(290±10℃)的高温烟气，引入烟道内的一次换热设备1(本实施例中，采用开山净化KSYQ-360型不锈钢扰流子换热器)中与来自一次闭式循环水系统中的一次软化水介质进行间接换热，使一次软化水介质升温至80～85℃；一次闭式循环水系统包括一次循环水管路2、一次循环水箱3和一次循环水泵4，可以理解的，一次循环水箱上设有注水口；
S2.二次换热，将80～85℃的一次软化水介质引入二次换热设备5(采用板式换热器)中与来自自来水供水装置的自来水介质进行间接换热，将自来水介质升至60～65℃后作为转换增热的热源；自来水供水装置包括自来水水管6、自来水水泵7、自来水水箱8和自来水补水管9；
S3.转换供热，将热源引入热源调节中转站中的两个储热仓(分别为储热仓A10和储热仓B11)中，所述热源调节中转站为田字式结构溢流中转站，包括远程DCS控制系统(图中未示出)、供热水泵12和两个热分流仓(分别为热分流仓C13和热分流仓D14)，所述远程DCS控制系统按需控制供热水泵将储热仓A和储热仓B中的热源送至转换增热装置15(采用板式换热器)中，使热源与转换增热装置中来自二次闭式循环水系统中的二次软化水介质进行间接换热，将二次软化水介质升温15℃后供至矿山副井口供暖设备进行供暖；热源与二次软化水介质换热后自来水水温降至45～50℃，并回送至两个热分流仓中，所述远程DCS控制系统按需控制两个热分流仓配套的分流泵17将45～50℃的自来水供至矿区的洗浴中心。当热源较为充足时，也可分流一部分直接送入矿区办公区的暖气片18进行供暖，暖气片中的回水可回送至二次换热设备的自来水供水装置中补充自来水消耗。具体地，矿山副井口供暖设备包括表面式换热器16、二次循环水箱19和二次循环水泵20，可以理解的，二次循环水箱上也设有注水口。
请参阅图2、图3，本实施例中，所述田字式结构溢流中转站包括储水箱21，所述储水箱为保温水箱，且储水箱的顶部设有保温盖板22，所述储水箱内设有十字形绝热隔板23，所述十字形绝热隔板将储水箱分割为四个独立的储水腔，其中储水箱前侧的两个储水腔为热分流仓，储水箱后侧的两个储水腔为储热仓，具体地，所述十字形绝热隔板内部采用真空结构，以保证各储热仓和热分流仓的保温效果。前后对应的储热仓与热分流仓之间设有若干溢流管28，所述溢流管设于十字形绝热隔板的顶端，且溢流管内设有能够使储热仓中的热源向热分流仓单向流通的单向阀，为方便对单向阀的检修和维护，在保温盖板的相应位置上通过铰链设有多个可翻开的检修门35，所述储热仓的热水进口与二次换热设备的冷媒出口相连通，且储热仓的热水出口与转换增热装置的热媒进口相连通，所述热分流仓的进水口与转换增热装置的热媒出口相连通。
具体地，请参阅图3、图4，每个储热仓的侧壁上均设有热水进口和热水出口，所述热水进口设于热水出口上方，且热水出口设于储热仓的底部，每个热分流仓的侧壁上均设有进水口和出水口，所述进水口设于出水口上方，且出水口设于热分流仓的底部；所述热水进口外侧连接有热水进管24，所述热水出口外侧连接有热水出管25，所述进水口外侧连接有进水管26，所述出水口外侧连接有出水管27，每个热水进管上分别设有电动阀一，每个热水出管上分别设有电动阀二，每个进水管上分别设有电动阀三，每个出水管上靠近热分流仓处分别设有电动阀四，两个储热仓的热水出管汇集到一根热水出水母管29上，且热水出水母管远离两个热水出管的一端设有供热水泵，两个储热仓的热水进管远离储热仓的一端分别与一根热水进水母管30相连通，两个热分流仓的进水管远离热分流仓的一端均连接在一根进水汇流母管31上，两个出水管上分别设有分流泵，所述供热水泵、分流泵、电动阀一、电动阀二、电动阀三、电动阀四分别与远程DCS控制系统电连接。
上述方案中，可通过操控各热水进管上的电动阀一，将来自二次换热设备的热源存储到相应的储热仓内，通过远程DCS控制系统操控各热水出管上的电动阀二，可根据需要将各储热仓内的热源通过供热水泵输送到转换增热装置内，热源与转换增热装置内的冷媒(二次软化水介质)热交换后降温到45-50℃并通过进水汇流母管输送到热分流仓内，再通过两个分流泵泵送到矿区各洗浴中心作为洗浴用水使用，转换增热装置内的冷媒被热源换热升温15℃左右后用于矿井副井口供暖。
本实施中，两个热分流仓的出水管之间设有连通管32，所述连通管上设有电动连通阀，所述电动连通阀与远程DCS控制系统电连接。当其中一个热分流仓内蓄水不足时，可通过操控电动连通阀和相应的电动阀四，即可将另一个热分流仓中的热水补入缺水的热分流仓中或直接泵送到相应的洗浴中心，以保证各洗浴中心的连续稳定使用。每个热分流仓的侧壁顶部均设有溢流口，所述溢流口外连接有溢流排放管33。当热分流仓的水位高于溢流口时，可通过溢流排放管外排，外排的溢流水可作为二次换热设备的冷媒循环使用。各储热仓和热分流仓内分别设置有液位传感器(图中未示出)和温度传感器(图中未示出)，且各储热仓和热分流仓的底部分别设置有电动排污阀34，所述液位传感器、温度传感器和电动排污阀分别与远程DCS控制系统电连接，通过液位传感器和温度传感器，用于监控各储热仓和热分流仓内的水位和温度，方便根据需要及时调整补水量和出水量。通过电动排污阀，可实现定期排污或检修时排水。
可以理解的是，本实施例中的板式换热器、不锈钢扰流子换热器、各电动阀、电动连通阀、电动排污阀、供热水泵、分流泵、保温水箱、保温盖板、液位传感器、温度传感器、远程DCS控制系统等均采用本领域的现有技术，本领域技术人员可根据实际需要选择对应组件或装置的规格和型号。
本发明的工作原理是，采用一次软化水介质作为矿山瓦斯发电机组中高温烟道内的一次换热设备的冷媒，高温烟气与一次软化水介质在一次换热设备内间接换热后，快速将一次软化水介质的温度升至80～85℃后，80～85℃的一次软化水介质被引入二次换热设备中，将二次换热设备中通入的自来水进行换热使自来水升温至60～65℃后，60～65℃的自来水作为热源被送入储热仓中进行存储，降温后的一次软化水介质闭式循环到一次换热设备中与高温烟气再次发生热交换，实现对烟气余热的高效吸收。远程DCS控制系统控制供热水泵将储热仓中的热源送至转换增热装置中，对二次软化水介质进行转换增热，二次软化水介质被升温15℃左右后对矿井副井口进行供暖，热源在转换增热装置中被冷却至45～50℃后送入热分流仓中储存备用，通过分流泵将热分流仓中的热水输送到矿区各洗浴中心与自来水勾兑后用作职工洗浴水，当二次换热设备中换热后的自来水量较大，储热仓内水位超过十字形绝热隔板的顶端的溢流管时，储热仓内的热水会通过相应的单向阀流入对应的热分流仓中，用于提高热分流仓的水温并增加热分流仓中的水量，以利于对热能的充分利用。可以理解的是，热分流仓中水温升高时，洗浴时多勾兑冷水即可，不影响正常使用。通过本发明提供的方法或装置能够对矿山瓦斯发电机组高温烟气中的余热进行高效回收，且回收后的热能采用先给矿山副井口供暖，再给洗浴中心提供洗浴热水的热能回收方式，实现了对烟气余热的高效梯级利用，使回收得到的热能能够全回收、无浪费，实现了对乏能的吃干榨净，节能减排效益显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.一次换热，将矿山瓦斯发电机组排放的280～300℃的高温烟气，引入烟道内的一次换热设备中与来自一次闭式循环水系统中的一次软化水介质进行间接换热，使一次软化水介质升温至80℃以上；
S2.二次换热，将80℃以上的一次软化水介质引入二次换热设备中与来自自来水供水装置的自来水介质进行间接换热，将自来水介质升至60℃以上后作为转换增热的热源；
S3.转换供热，将热源引入热源调节中转站中的两个储热仓中，所述热源调节中转站还包括远程DCS控制系统、供热水泵和两个热分流仓，所述远程DCS控制系统按需控制供热水泵将储热仓中的热源送至转换增热装置中，使热源与转换增热装置中来自二次闭式循环水系统中的二次软化水介质进行间接换热，将二次软化水介质升温15℃后供至矿山副井口进行供暖；热源与二次软化水介质换热后自来水水温降至45～50℃，并回送至两个热分流仓中，所述远程DCS控制系统按需控制两个热分流仓配套的分流泵将45～50℃的自来水供至矿区的洗浴中心。
2.根据权利要求1所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法，其特征在于：步骤S1和S2中，一次软化水介质升温后的温度为80～85℃。
3.根据权利要求1所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用方法，其特征在于：步骤S2和S3中，热源的温度为60～65℃。
4.矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：包括一次换热设备、一次闭式循环水系统、二次换热设备、自来水供水装置、转换增热装置、二次闭式循环水系统、矿山副井口供暖设备和热源调节中转站，所述一次换热设备采用不锈钢扰流子换热器，所述一次闭式循环水系统包括一次循环水管路、一次循环水箱和一次循环水泵，所述二次换热设备和转换增热装置均采用板式换热器，所述二次闭式循环水系统包括二次循环水管路和二次循环水泵，所述矿山副井口供暖设备包括表面式换热器、二次循环水箱和二次循环水泵，所述热源调节中转站为田字式结构溢流中转站。
5.根据权利要求4所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：所述田字式结构溢流中转站包括远程DCS控制系统和储水箱，所述储水箱为保温水箱，且储水箱的顶部设有保温盖板，所述储水箱内设有十字形绝热隔板，所述十字形绝热隔板将储水箱分割为四个独立的储水腔，其中储水箱前侧的两个储水腔为热分流仓，储水箱后侧的两个储水腔为储热仓，前后对应的储热仓与热分流仓之间设有若干溢流管，所述溢流管设于十字形绝热隔板的顶端，且溢流管内设有能够使储热仓中的热源向热分流仓单向流通的单向阀，所述储热仓的热水进口与二次换热设备的冷媒出口相连通，且储热仓的热水出口与转换增热装置的热媒进口相连通，所述热分流仓的进水口与转换增热装置的热媒出口相连通。
6.根据权利要求5所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：所述十字形绝热隔板内部采用真空结构或者在十字形绝热隔板的内部设置空腔，空腔中填充有隔热材料。
7.根据权利要求5所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：每个储热仓的侧壁上均设有热水进口和热水出口，所述热水进口设于热水出口上方，且热水出口设于储热仓的底部，每个热分流仓的侧壁上均设有进水口和出水口，所述进水口设于出水口上方，且出水口设于热分流仓的底部；所述热水进口外侧连接有热水进管，所述热水出口外侧连接有热水出管，所述进水口外侧连接有进水管，所述出水口外侧连接有出水管，每个热水进管上分别设有电动阀一，每个热水出管上分别设有电动阀二，每个进水管上分别设有电动阀三，每个出水管上靠近热分流仓处分别设有电动阀四，两个储热仓的热水出管汇集到一根热水出水母管上，且热水出水母管远离两个热水出管的一端设有供热水泵，两个储热仓的热水进管远离储热仓的一端分别与一根热水进水母管相连通，两个热分流仓的进水管远离热分流仓的一端均连接在一根进水汇流母管上，两个出水管上分别设有分流泵，所述供热水泵、分流泵、电动阀一、电动阀二、电动阀三、电动阀四分别与远程DCS控制系统电连接。
8.根据权利要求7所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：两个热分流仓的出水管之间设有连通管，所述连通管上设有电动连通阀，所述电动连通阀与远程DCS控制系统电连接。
9.根据权利要求5所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：每个热分流仓的侧壁顶部均设有溢流口，所述溢流口外连接有溢流排放管。
10.根据权利要求5～9中任一项所述的矿山瓦斯发电烟气余热梯级利用装置，其特征在于：各储热仓和热分流仓内分别设置有液位传感器和温度传感器，且各储热仓和热分流仓的底部分别设置有电动排污阀，所述液位传感器、温度传感器和电动排污阀分别与远程DCS控制系统电连接。
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